G-四链体的生理环境响应及其生物学功能

In 2015, we discovered a unique type of intramolecular G-quadruplex that bears a guanine vacancy (G-vacancy) in one of the G-quartet layers. The G-vacancy can be filled up by a guanine base from GTP or GMP to complete an intact G-quartet by Hoogsteen hydrogen bonding. Such G-vacancy-bearing G-quadruplexes (GVBQ) can form in single- and double-stranded DNA and is capable of affecting DNA replication in vitro. In this proposed plan, we will study the environmental responsiveness of GVBQs and their potential biological implication in trnscription, replicaion, and translation.

G-四链体是重要的核酸二级结构，它由鸟嘌呤间的Hoogsteen氢键形成的含4个G的G-quartet叠加而形成。我们于2015年发现一种具有环境响应能力的新型核酸G-四链体结构。这种新结构的特征是在G-quartet平面上含有G-空缺，它可以从环境中吸收一个含Guanine碱基的分子而形成一个更加稳定的结构。这种被命名为GVBQ（G-vacancy-bearing G-quadruplexes，含G-空缺G-四链体）的G-四链体可以在单链核酸和转录的双链DNA中形成。它具有响应原核和真核细胞的生理浓度的GMP和GTP的能力并可以籍此而影响DNA聚合酶的DNA复制活性。本申请计划对GVBQ结构的生理环境响应能力和模式进行实验研究。同时对人基因组中的GVBQ序列进行准确的生物信息学分析，以揭示GVBQ序列在基因组中关键功能区域的分布频率，并根据由此而提示的生物学功能开展相应的实验研究。

G-四链体是重要生物学功能的核酸二级结构，它由鸟嘌呤间的Hoogsteen氢键形成的含4个G的G-quartet叠加而形成。G-四链体的重要生物学功能体现在它对生理环境因素的响应方面，而这一点过去的研究恰恰不够。经过4年的研究，我们课题共发表研究论文9篇，其中3篇影响因子>10，1篇被Faculty 1000推荐为新发现和技术进步。主要进展如下：.1）实时检测到双链DNA中负超螺旋扭矩波这一环境因素诱导G-四链体形成。利用这一工具，我们研究了转录产生的负超卷在线性和分叉DNA中的传输。我们发现, 转录生成的动态负超螺旋扭矩不仅沿线性 DNA 传输, 而且同样在分叉 DNA 中无损传递。我们发现, 在动态负超螺旋扭矩传输的路径中, DNA-蛋白质相互作用和非规范 DNA 结构调节了这一过程。这些结果意味着动态负超螺旋介导的染色体内和染色体间信号转导途径及其在 DNA 中的调控机制。.2）细胞内G-四链体的形成受环境调控。我们首次实现在活细胞中高通量检测G-四链体结构。我们制备了一个高度特异性，高亲和力识别G-四链体的人工蛋白（G4P），首次在动物活细胞中检测到G-四链体结构，并通过二代测序报告G4结构形成的位点坐标，丰度频率等以前无法获得的信息。该技术将为活细胞动态环境下G-四链体生物学研究提供一个重要工具。.3）实现了对环境敏感G-四链体的高度特异性，高亲和力识别的靶向策略。过去几乎所有靶向G-四链体的策略均无法同时实现对G-四链体的高度特异性，高亲和力的识别。我们发展了一个多肽和鸟嘌呤共同组装的双识别稳定增强的策略，实现了同时对G-四链体的高度特异性和高亲和力的靶向识别，为实现靶向G-四链体的药物设计提供了一个有效的手段。